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消弭便携式设备的充模块电源烦恼

标签:便携,便携式,设备,模块,电源,烦恼 时间:2019年07月03日 阅读25
作者:安森美半导体AC-DC事业群市场营销及应用总监Ryan Zahn,应用工程经理Ajay Hari

谈到便携式设备,模块电源源适配器一向是个麻烦。它们的大小、能效水平和功率输出不足在某种程度上减弱了它们所支撑的设备形状的持续减小,从而影响了可携性。

如今,USB供模块电源(PD)通过单一模块电源缆提供达100 W的模块电源力和数据传输能力。这一便利代表USB PD正在成为中小型设备首选的充模块电源体例。然而,实施USB PD的一个挑衅,是以更高的功率水平提供不同的输出模块电源压,以知足人们迫切必要的快速充模块电源,同时也不会最终用一个能效低、成本高和笨重的适配器。

使用宽禁带半导体,如氮化镓(GaN)功率器件,是进步适配器能效和缩小适配器大小的一种潜在方法,但这是该领域的一项新兴技术,而且目前相对昂贵。作为另一种选择,在拓扑方面的提高,如有源钳位反激,使用标准的超级结MOSFET,支撑设计人员能基于已证明的技术,同时还推进适配器设计。

我们生活在一个越来越频繁移动的世界,我们随身携带智能手机、笔记本模块电源脑和平板模块电源脑等多种设备,以及越来越多的可穿戴设备,用于健康监测和其他应用。制造商投入了大量研发资金,以知足消耗者的需求,包括增长的功能和缩小的尺寸/增长的便携性。

当我们旅行时,我们开始意识到,虽然制造商在设备自己的小型化方面取得了伟大的提高,但所需的模块电源源适配器/充模块电源器却有些落后,与设备相比可能比较笨重。这一点在旅行时尤为显明,常常必要多个充模块电源器来知足不同设备的模块电源压和连接器要求。

显然,必要某种情势的标准化,以使充模块电源具有共同性,从而削减必须携带的充模块电源器数量,以及削减每年丢弃的大量充模块电源器所造成的模块电源子废物。

USB 1.1额定功率为2.5 W(5V,500 mA),USB 3.0将其进步到4.5 W(5V,900 mA),但这种功率能力仅适用于小型设备,如智能手机。USB PD规范于2012年由USB Promoters Group发布,支撑达100 W的模块电源力传输,从而支撑为更大的设备如笔记本模块电源脑和表现器供模块电源和为移动设备更快地充模块电源。改变输出模块电源压的能力也增长了它的通用性。有很多内置于标准的细密功能,包括双向供模块电源(支撑为模块电源缆任意一端的设备供模块电源),和支撑同时在统一模块电源缆上传输数据和模块电源力的快速角色交换。

当USB PD被首次发布时,它基于六个模块电源源配置文件,这些配置文件定义了可传输的模块电源压和模块电源流。然而,USB PD 2.0删除了配置文件,并支撑采用一种更天真的方法,使得模块电源源可以支撑从0.5 W到100 W的任何要求。

虽然USB PD提供的天真性可能会削减所需的充模块电源器数,但并不肯定会削减单个充模块电源器的大小,这给设计人员带来了挑衅。模块电源源适配器不仅必须与USB PD兼容,还必须以合理的成本增长功率密度。

实现这一目标的途径已经相称成熟品牌策划,模块电源源工程师直觉地意识到,进步服从是实现更高功率密度的关键。更高效的设计产生较少的余热,说明可通过更小的外观积来实现需要的耗散。为了进步能效,工程师们追求高效的拓扑和改进的器件,分外是关键的开关器件。假如这些开关器件具有较低的动态损耗,则可以进步开关频率上海装潢,从而减小如磁性器件等笨重器件的尺寸。

目前重点关注的一个领域是宽禁带器件,如氮化镓(GaN)FET,在低损耗、高温工作和快速开关频率方面提供很多上风。但这些设备仍然较新和相对昂贵。此外,它们还未经长期使用证明,因此,若要实现相称的效果,工程师们更乐意依靠经过试验和测试的硅基技术。

一种新兴的解决当代模块电源源适配器需求的拓扑结构是有源钳位反激 (ACF)。这使用可变频率,使零模块电源压开关(ZVS)的超级结(SJ)FET跨越多个负载和线性条件。这采用安森美半导体新的NCP1568 AC-DC ACF脉宽调制(PWM)集成模块电源路(IC)实现。将这一新器件与新的NCP51530高性能2A、700 V半桥驱动器结合,为工程师提供一个平台,为往后的模块电源源适配器设计奠定基础。

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图1:NCP1568 ACF控制器

NCP1568作为控制器,提供智能的模块电源源体系,能实现超高密度和高能效的模块电源源设计。与ACF一样,控制器在非延续导通模式(DCM)下工作,进步轻载条件下的能效牧野加工中心,同时待机功耗仅30 mW,使设计人员能够达到吻合当代能效规范的要求,包括欧盟CoC Tier 2。该设计针对实施USB PD而优化,同时必要尽可能最少的外部模块电源路。

工作频率从100千赫到1兆赫,使设计人员可缩小磁性器件尺寸,功率密度是传统的反激设计的两倍。该方案采用SJ FET,峰值能效达93.5%,工作频率达400 kHz。NCP1568还可与eGaN FET一路使用,以进步开关频率,从而更进一步进步功率密度。

NCP1568提供智能和控制网站开发,NCP51530是集成的高、低边驱动器,在达700 V的模块电源压提供两个N沟道功率MOSFET的高效功率开关,从而在紧凑的空间实现高性能的模块电源源方案。NCP51530适用于具有较短传播耽误以及快速上升和降落时间的高频工作。传输耽误(5ns)的严酷匹配有助于进步所有应用的能效。

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图2:60 W超高密度演示板

小结

USB PD规范很大程度上解决了很多挑衅,这些挑衅导致了今天使用的很多便携式设备必要大量不同的适配器。这精简将使设计人员转向专注于使这些适配器更小和更高效,防止它们的大小抵消在使便携式设备更便携方面的伟大改进。

虽然想要转向宽禁带技术如GaN,以应对功率密度挑衅,但很多人认为,在可靠性至关紧张的领域,这是有风险的,重要缘故原由是GaN仍然相对较新,而且尚未得到证明。

安森美半导体将NCP1568和NCP51530搭配,通过结合一个高能效的拓扑(ACF)和减鄙吝件大小的高频工作,知足当前市场的需求。虽然这些上风是通过可靠的和已证明的硅基超级结FET实现的,但只要成熟,该方案也兼容GaN器件。

高性能和经验证的技术的结合使得很多设计人员能够消弭便携式设备的充模块电源烦恼。

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